结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器

本发明涉及匀热式太阳能反应器，属于太阳能热利用领域。

背景技术：

1、

2、太阳能反应器(集热器)通常以聚光太阳能为驱动源，能够在低碳或零碳的条件下将太阳能转化为化学能(或热能)并将其储存或直接利用，是一种高效清洁的可再生能源利用方式。按照聚光太阳能的加热方式，常见的太阳能反应器可分为直接加热式和间接加热式两种类型：直接加热式反应器前端通常安装有透过率较好的石英玻璃，在保证气密性的同时允许聚光太阳能透过石英窗口直接照射至反应器内部并加热反应介质；间接加热式反应器内的反应介质则不会直接受到太阳能照射，而是由位于反应器外部聚光靶平面上的吸热材料间接传递热量，同时原料气或工质在反应介质内形成流动将热量带走。相比较而言，由于间接加热过程中存在大量的对外散热和内部传热损失，直接加热式反应器的热效率会相对较高，但同样存在两个限制能量效率的关键因素：一是反应器内已经被加热至高温的反应介质会以热辐射的形式通过石英窗口向外散失能量，且热辐射损失会随着温度的升高而显著增加；二是聚光太阳能的靶平面通常位于反应器或介质的前端，极易形成局部的高温过热区域并在整个反应区产生较大的温度梯度，这种温度场的不均匀性不仅会加剧石英窗口对外的辐射热损失，更重要的是会对内部的化学反应产生很强的负面影响，进而降低整个反应器的能量效率。

3、随着现代计算流体力学的发展，太阳能反应器内部的辐射传输过程、流体流动过程、气固两相对流换热过程，以及化学反应过程都能够被直观地展示出来。若能够结合反应区域内的能流分布状况对反应介质的几何形状进行重新设计，则可在很大程度上降低温度场分布的不均匀性。另一方面，利用反应介质和吸收涂层的光学特性对太阳辐射能量的传输和吸收过程进行调控，能够进一步缓解聚光太阳能直接加热过程中的热量集中现象，并对温度较低的区域进行再加热，进而提升整个温度场的均匀性，提高反应器的能量转换效率和反应速率。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有的太阳能反应器内部温度不均匀，导致太阳能反应器内反应速率低的问题，提出了结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器。

2、结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，所述反应器包括碟式太阳能聚光器、石英窗片、椭球型外壳、椭球型石墨片、吸收涂层和泡沫陶瓷；

3、泡沫陶瓷为具有多个通孔泡沫结构的陶瓷体，泡沫陶瓷的表面涂覆催化材料，泡沫陶瓷为半椭球形；

4、泡沫陶瓷的外球面涂有吸收涂层，椭球型石墨片包裹在吸收涂层的外表面，椭球型外壳包裹在椭球型石墨片的外表面，椭球型外壳的轴向与半椭球形的泡沫陶瓷的长轴方向一致；

5、石英窗片盖合在椭球型外壳的开口处，在贴近石英窗片的泡沫陶瓷上挖设半椭球形的槽，半椭球形槽的长轴与泡沫陶瓷的长轴垂直相交；

6、碟式太阳能聚光器位于石英窗片外部，碟式太阳能聚光器用于汇聚太阳光，汇聚后的太阳光透过石英窗片一部分照射到泡沫陶瓷表面上，另一部分穿过泡沫陶瓷中的孔隙，最终被涂有吸收涂层的椭球型石墨片接收，椭球型石墨片吸收太阳光的热量后通过热传导加热与椭球型石墨片相邻处的泡沫陶瓷外球面，进而使泡沫陶瓷的温度均匀；

7、椭球型外壳上开设多个原料气入口，且多个原料气入口均朝向石英窗片；椭球型外壳的底部开设气体产物出口。

8、优选地，所述反应器还包括氧化铝隔热陶瓷；

9、椭球型石墨片和椭球型外壳之间设置氧化铝隔热陶瓷。

10、优选地，所述反应器还包括内置水冷管路的法兰盘和紧固螺栓；

11、内置水冷管路的法兰盘设置在石英窗片上表面边缘处，紧固螺栓穿过内置水冷管路的法兰盘和椭球型外壳的下反沿，将石英窗片夹紧在内置水冷管路的法兰盘和椭球型外壳之间，内置水冷管路的法兰盘中用于通入冷水，对石英窗片进行冷却。

12、优选地，泡沫陶瓷的孔隙率大于0.9，泡沫陶瓷的孔密度小于10ppi，ppi表示单位英寸长度上的平均孔数。

13、优选地，泡沫陶瓷具体为碳化硅泡沫陶瓷。

14、催化材料为金属催化剂或者非金属催化剂。

15、本发明的有益效果是：

16、本申请首次提出一种结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器。该装置是为了克服现有太阳能反应器内温度分布不均、反应效率低的不足。本申请技术核心和优势在于：(1)基于传统反应器内部太阳辐射场和温度场的数值模拟结果，根据上述两种场分布的等高线对反应介质的几何形状进行重新设计，从而改善焦平面附近辐射热流和温度的过度集中现象；(2)采用大孔隙网状碳化硅泡沫陶瓷作为反应介质，在泡沫陶瓷表面涂覆催化材料即可实现相应的热化学反应过程，其比表面积高、透光性强、导热系数高的特点有利于进一步均衡温度场并提高化学反应速率；(3)泡沫陶瓷外围通常温度较低，在该处放置覆有吸收涂层的椭球型石墨片，其作用是吸收透过泡沫陶瓷孔隙的绝大部分太阳辐射，形成高温并通过热传导和热对流的方式均匀加热泡沫陶瓷反应介质外围，从而进一步均衡温度场，提供反应器内部的反应速率。

技术特征：

1.结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，其特征在于，所述反应器包括碟式太阳能聚光器(2)、石英窗片(3)、椭球型外壳(5)、椭球型石墨片(7)、吸收涂层(8)和泡沫陶瓷(9)；

2.根据权利要求1所述的结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，其特征在于，所述反应器还包括氧化铝隔热陶瓷(6)；

3.根据权利要求1所述的结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，其特征在于，所述反应器还包括内置水冷管路的法兰盘(4)和紧固螺栓(1)；

4.根据权利要求1所述的结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，其特征在于，泡沫陶瓷(9)的孔隙率大于0.9，泡沫陶瓷(9)的孔密度小于10ppi，ppi表示单位英寸长度上的平均孔数。

5.根据权利要求1所述的结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，其特征在于，泡沫陶瓷(9)具体为碳化硅泡沫陶瓷。

6.根据权利要求1所述的结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，其特征在于，催化材料为金属催化剂或者非金属催化剂。

技术总结
结合能流分布与吸收涂层设计的匀热式太阳能反应器，属于太阳能热利用领域。现有的太阳能反应器内部温度不均匀，导致反应效率低。碟式太阳能聚光器汇聚的太阳光透过石英窗片一部分照射到泡沫陶瓷表面，另一部分穿过泡沫陶瓷中的孔隙，最终被涂有吸收涂层的椭球型石墨片接收，椭球型石墨片吸收热量后通过热传导加热与椭球型石墨片相邻处的泡沫陶瓷外球面，使泡沫陶瓷温度均匀；根据计算流体力学数值模拟的能流分布结果，泡沫陶瓷采用双层嵌套、长短轴相互垂直的“双椭球面”几何结构，以缓解前端区域的热量集中，同时增强周向温度分布的均匀性；椭球型外壳上和底部分别开设原料气入口和气体产物出口，原料气入口朝向石英窗片。它用于提高反应效率。

技术研发人员：张昊,杨大智,张小密,帅永,乐古
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11